หลักการของเครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิก: ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญ

ในการวัดการไหลของอัลตราโซนิกข้อมูลความเร็วของของไหลได้มาจากลักษณะการแพร่กระจายของคลื่นเสียงที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง-ไม่ว่าจะเป็นของเหลวหรือก๊าซที่ถูกจำกัดอยู่ภายในส่วนของท่อ หลักการของเครื่องวัดการไหลแบบอัลตราโซนิกนั้นขึ้นอยู่กับการวัดความแปรผันของเวลาการขนส่งหรือการเปลี่ยนแปลงความถี่ที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเสียงโต้ตอบกับของไหลที่กำลังเคลื่อนที่ การสร้างสัญญาณ คุณภาพการส่งสัญญาณ และการรับสัญญาณก้องจะกำหนดร่วมกันว่าอุปกรณ์ให้การอ่านปริมาตรที่แม่นยำหรือทำให้เกิดข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบในห่วงโซ่การวัดหรือไม่

วิธีเวลาในการขนส่งยังคงเป็นแนวทางหลักในการออกแบบเครื่องวัดอัตราการไหลล้ำยุคสมัยใหม่ เมื่อผู้ปฏิบัติงานพบกับเทคโนโลยีนี้เป็นครั้งแรก พวกเขามักจะดูถูกดูแคลนว่าแบ็กเอนด์การประมวลผลสัญญาณมีความสำคัญเพียงใด สัญญาณเสียงสะท้อนดิบจากทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริกจะไม่มาถึงเนื่องจากไซนูซอยด์ที่สะอาด-พวกมันส่งเสียงรบกวน ความแปรผันของแอมพลิจูด และการบิดเบือนเฟส ซึ่งจะต้องได้รับการจัดการก่อนจึงจะสามารถคำนวณการไหลที่มีความหมายได้

ย้อนกลับไปในปี 1981 แซนเดอร์สันและเฮมป์ตีพิมพ์งานพื้นฐานเกี่ยวกับวิธีการตรวจจับสัญญาณสำหรับ-เครื่องวัดอัตราการไหลล้ำเสียงตามเวลาขนส่ง การมีส่วนร่วมของพวกเขาแยกแยะความแตกต่างระหว่างเทคนิคการประมวลผลโดเมนเวลา-และความถี่- โดยทั่วไปวิธีโดเมนเวลา-จะใช้-การส่งผ่านพัลส์เดี่ยวและติดตามคุณลักษณะรูปคลื่นเฉพาะ-โดยปกติแล้วจะเป็นศูนย์-จุดตัดหรือทริกเกอร์เกณฑ์ ความถี่-แนวทางโดเมนตรวจสอบเนื้อหาสเปกตรัมแทน แต่ละข้อมีข้อดีข้อเสียที่ไม่ชัดเจนในทันทีจนกว่าคุณจะจัดการกับการติดตั้งภาคสนามจริง

ความสัมพันธ์ระหว่างคาบชีพจรอัลตราโซนิกกับความเร็วของเสียง รวมกับความยาวคลื่นที่ปรับขนาดด้วยความเร็วเสียง จะเป็นตัวกำหนดว่ากลยุทธ์การประมวลผลแบบใดที่เหมาะสมในทางปฏิบัติ ในรูปแบบการกำหนดเวลาพัลส์เดี่ยว- มิเตอร์จะส่งสัญญาณแบบระเบิด รอการรับสัญญาณ จากนั้นประมาณเวลาที่มาถึง ง่ายพอในทางทฤษฎี ความเป็นจริงเกี่ยวข้องกับการระบุว่าส่วนใดของรูปคลื่นที่ได้รับซึ่งสอดคล้องกับเวลาขนส่งที่ "ถูกต้อง"- และนี่คือจุดที่-การตรวจจับข้ามเข้าสู่ภาพ

การตรวจจับข้ามที่เป็นศูนย์-จะกำหนดเกณฑ์แรงดันไฟฟ้า เมื่อสัญญาณเสียงสะท้อนเกินระดับนี้ ระบบจะทริกเกอร์จังหวะเวลา และต่อมาจะวัดทันทีที่รูปคลื่นข้ามศูนย์ แนวทางนี้เป็นแนวปฏิบัติมาตรฐานมานานหลายทศวรรษ แรงดันไฟฟ้าขีดจำกัดจะสร้างการอ้างอิงเทียบกับรูปคลื่นที่ได้รับเมื่อเปรียบเทียบกับค่าศูนย์แรก-หลังจากทะลุขีดจำกัดทำให้เกิดเหตุการณ์ "หยุด" สำหรับวงจรไทม์มิ่ง

ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นในแผนภาพทางเทคนิคส่วนใหญ่-เปลือกเสียงสะท้อนที่สั่น โดยที่จุดสูงสุดที่มีหมายเลข (มีข้อความว่า 1, 2, 3, 4) อาจเป็นจุดตัดเป็นศูนย์- การเลือกใช้การข้ามศูนย์-นั้นไม่ได้ขึ้นอยู่กับอำเภอใจ คุณต้องแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการทำซ้ำของการวัดของคุณ แต่ความผันผวนของแอมพลิจูดของสัญญาณอาจทำให้จุดสูงสุดแรกที่เกินเกณฑ์เปลี่ยนแปลง นำไปสู่ปรากฏการณ์ "การข้ามวงจร" ที่น่ากังวล-เวลาในการแพร่กระจายที่วัดได้ข้ามวงจรเต็มคลื่น

จุดตัดศูนย์-หลายจุดสามารถติดตามได้เพื่อปรับปรุงความทนทาน เครื่องมือบางชนิดระบุจุดตัดหลายจุดและใช้การตรวจสอบความสอดคล้องเพื่อปฏิเสธค่าผิดปกติ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มค่าใช้จ่ายในการคำนวณแต่ลดความไวต่อข้อผิดพลาดด้านจังหวะเวลาที่เกิดจากแอมพลิจูดลงได้อย่างมาก

ที่หลักการทำงานของเครื่องวัดอัตราการไหลล้ำเสียงมีความซับซ้อนมากขึ้นอย่างมากเมื่อต้องรับมือกับการใช้แก๊สมากกว่าของเหลว แก๊สมีอิมพีแดนซ์ทางเสียงต่ำกว่าขนาดประมาณสามเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับสื่อของเหลว การลดทอนสัญญาณมีความรุนแรง ในกรณีที่ทรานสดิวเซอร์ที่เป็นของเหลว-อาจได้รับเสียงก้องระดับมิลลิโวลต์-ซึ่งต้องมีการขยายเพียงเล็กน้อย การวัดก๊าซมักจะต้องการเพิ่มขึ้นเกิน 60dB เพียงเพื่อแก้ไขพัลส์ที่ได้รับจากเสียงรบกวนเบื้องหลัง

การวัดการไหลของก๊าซด้วยเทคโนโลยีเวลาส่งผ่านอัลตราโซนิก-ทำให้เกิดความท้าทายที่การใช้งานของเหลวมักไม่เผชิญ การมีเพศสัมพันธ์ทางเสียงระหว่างทรานสดิวเซอร์และตัวกลางจะลดลงอย่างมากเมื่อมีตัวกลางที่เป็นก๊าซ ความเร็วเสียงในก๊าซจะแปรผันอย่างมากตามองค์ประกอบ ความดัน และอุณหภูมิ-มากกว่าในของเหลวมาก ซึ่งความแปรผันอาจมีเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์

พิจารณาสิ่งที่เกิดขึ้นในเครือข่ายการจ่ายก๊าซ ท่อเดียวกัน อุปกรณ์มิเตอร์อัลตราโซนิกเดียวกัน แต่แรงดันผันผวนตามความต้องการ การเปลี่ยนแปลงความดันแต่ละครั้งจะเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ของเสียง เปลี่ยนความกว้างของสัญญาณที่ได้รับ อาจทำให้ระบบไทม์มิ่งที่อิงตามเกณฑ์-ยึดเข้ากับจุดตัดกันที่เป็นศูนย์-ที่แตกต่างกัน การอ่านโฟลว์ผลลัพธ์จะคลาดเคลื่อนแม้ว่าปริมาณงานเชิงปริมาตรจริงจะยังคงที่ก็ตาม

ความปั่นป่วนทำให้เกิดปัญหาเหล่านี้ ที่ตัวเลขเรย์โนลด์สที่สูงกว่า โปรไฟล์ความเร็วจะไม่สม่ำเสมอ-สม่ำเสมอทั่วทั้งหน้าตัดของท่อ-มากขึ้น ความแตกต่างของเวลาขนส่งที่เครื่องวัดอุลตร้าโซนิกแสดงถึงเส้นทาง-ความเร็วเฉลี่ย- ไม่ใช่ความเร็วเฉลี่ยที่แท้จริงที่คุณจะได้รับจากการบูรณาการทั่วทั้งพื้นที่การไหลทั้งหมด ปัจจัยการแก้ไข (การชดเชยโปรไฟล์) จะพิจารณาถึงความคลาดเคลื่อนนี้ แต่จะถือว่ามีสภาพการไหลที่มีพฤติกรรมค่อนข้างดี- เกิดการรบกวนหรือหมุนวนของทางเข้าแบบไม่สมมาตร และปัจจัยการแก้ไขเหล่านั้นมีความน่าเชื่อถือน้อยลง

วงจร AGC-การควบคุมอัตราขยายอัตโนมัติ-จะพยายามทำให้แอมพลิจูดของเสียงก้องเป็นมาตรฐาน ไม่ว่าสัญญาณจะลดทอนลงมากน้อยเพียงใดในระหว่างการแพร่กระจาย เมื่อระยะ AGC ของอุปกรณ์ทำงานอย่างถูกต้อง ความแปรผันของแอมพลิจูดจากการไหล-ทำให้เกิดการเปลี่ยนเส้นทาง การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเสียงที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ- หรือการเสื่อมสภาพของทรานสดิวเซอร์แบบค่อยเป็นค่อยไป จะไม่ทำให้ไทม์มิ่งการข้าม-เป็นศูนย์เสียหาย อย่างไรก็ตาม AGC จะแนะนำระบบจับเวลาของตนเองหากไม่ได้นำไปใช้อย่างระมัดระวัง การเปลี่ยนเฟสผ่านลูปควบคุมเกนอาจปลอมแปลงเป็นความแตกต่างของเวลาขนส่ง

การออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุติยภูมิในเครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิคของแก๊สเกี่ยวข้องกับการปรับสมดุลสัญญาณ-ถึง-การพิจารณาเสียงรบกวนเทียบกับความจำเป็นในการกำหนดเวลาที่เสถียรและทำซ้ำได้ การกำหนดค่ายอดนิยมอย่างหนึ่งใช้การผสมผสาน AGC แบบดิจิทัล (ใช้งานในเฟิร์มแวร์) ควบคู่ไปกับสเตจ AGC แบบอะนาล็อกโดยใช้ส่วนประกอบ เช่น เครื่องขยายสัญญาณเกนแบบแปรผัน AD8367- วิธีการแบบไฮบริดจะขยายช่วงไดนามิกในขณะเดียวกันก็รักษาความผิดเพี้ยนให้อยู่ภายในขอบเขตที่ยอมรับได้

ultrasonic flow measurement

ปัจจัยใดๆ ที่ทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณจะส่งผลต่อคุณภาพการวัด ความเร็วการไหลที่สูงขึ้นหมายถึงการโก่งตัวของเส้นทางเสียงที่ยาวขึ้นเนื่องจากการพาความร้อน- ลำแสงเสียงไม่เคลื่อนที่ข้ามท่อโดยตรง แต่เป็นไปตามวิถีโค้ง ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก-แสดงเอฟเฟกต์ชั้นขอบเขตที่เด่นชัด โดยที่ความใกล้ชิดกับผนังจะปรับเปลี่ยนการไล่ระดับความเร็วเฉพาะที่

ผลกระทบที่ขอบจากผนังท่อวัดทำให้เกิดความยุ่งยากเพิ่มเติมสำหรับการออกแบบมิเตอร์วัดเวลาส่งผ่านอัลตราโซนิค{0}} คลื่นเสียงที่ทำปฏิกิริยากับขอบเขตของท่อร้อยสายจะเกิดการหักเหและการสะท้อนบางส่วน ในไปป์แคบ การโต้ตอบขอบเขตเหล่านี้จะครอบงำอักขระสัญญาณที่ได้รับ ความกว้างของลำแสงเสียงสัมพันธ์กับเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อมีความสำคัญ คานที่กว้างขึ้น "เห็น" อิทธิพลของผนังมากขึ้น

กระแสก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่อุดมสมบูรณ์{0}}ทำให้เกิดความท้าทายเป็นพิเศษ คาร์บอนไดออกไซด์ดูดซับพลังงานเสียงที่ความถี่บางความถี่ได้รุนแรงกว่าอากาศหรือก๊าซธรรมชาติมาก ปริมาณ CO₂ สูงจะลดทอนความกว้างของสัญญาณ ซึ่งอาจต่ำกว่าเกณฑ์การตรวจจับ เสียงสิ่งแวดล้อม-ไม่ว่าจะมาจากตัวควบคุมความดันต้นน้ำ วาล์วที่เกิดโพรงอากาศ หรือแหล่งกำเนิดการสั่นสะเทือนภายนอก-จะส่งสัญญาณปลอมที่สามารถกระตุ้นให้เกิดการข้ามขีดจำกัดที่ผิดพลาดได้

การบรรลุความถี่การวัดที่สูงกว่า 20kHz มักจำเป็นเพื่อให้ได้สัญญาณที่เพียงพอ-ถึง-ขอบเขตของเสียงรบกวนในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่มีเสียงดัง ความถี่ที่ต่ำกว่าจะแพร่กระจายได้ไกลกว่าแต่จะไวต่อการรบกวนทางเสียงโดยรอบมากกว่า ความถี่ที่สูงกว่าจะเบาบางลงเร็วกว่าในก๊าซ แต่ให้ภูมิคุ้มกันที่ดีกว่าต่อเสียงรบกวนจากพืชความถี่ต่ำ-

ความไม่เสถียรของรูปร่างของสัญญาณยังคงเป็นสาเหตุของข้อผิดพลาดในการวัดที่ประเมินค่าไม่ได้ในการวัดการไหลแบบอัลตราโซนิก Echoes จะไม่รักษาโปรไฟล์ที่เหมือนกันจากการวัดครั้งหนึ่งไปยังอีกการวัดหนึ่ง การหมุนเวียนของอุณหภูมิจะเปลี่ยนความถี่เรโซแนนซ์ของทรานสดิวเซอร์ การสะสมบนพอร์ตอะคูสติกจะเปลี่ยนการจับคู่อิมพีแดนซ์ การกัดกร่อนของผนังท่อจะเปลี่ยนลักษณะการสะท้อนของขอบเขต

เมื่อรูปร่างของคลื่นเสียงสะท้อนเคลื่อนไป รูปแบบการตรวจจับตามเกณฑ์-จะตอบสนองแตกต่างกันไปในแต่ละพัลส์เทรน สิ่งที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบในการทดสอบเดินเครื่องอาจพัฒนาอคติอย่างเป็นระบบหลังจากใช้งานไปไม่กี่ปี -เทคนิคความสัมพันธ์ข้าม-โดยที่รูปคลื่นที่ได้รับถูกเปรียบเทียบกับการอ้างอิงที่เก็บไว้- ช่วยเพิ่มภูมิคุ้มกันต่อการแปรผันของรูปร่าง แต่ต้องใช้ทรัพยากรในการคำนวณมากขึ้นและการจัดการสัญญาณอ้างอิงอย่างระมัดระวัง

เส้นทางการแพร่กระจายไม่ได้ถูกกำหนดตายตัวทางเรขาคณิต การหักเหเนื่องจากการไล่ระดับความเร็ว (แรงเฉือนระหว่างการไหลของแกนที่เร็วขึ้นและชั้นขอบเขตที่ช้ากว่า) จะทำให้ลำแสงอะคูสติกโค้งงอ ในการออกแบบมิเตอร์แบบหลายเส้นทาง เอฟเฟกต์นี้จะปรากฏเป็นค่า-การอ่านความเร็วที่ขึ้นกับเส้นทางซึ่งไม่ได้ค่อนข้างเป็นค่าเฉลี่ยกับความเร็วรวมที่คาดไว้

ultrasonic flow measurement

การได้รับการวัดผลต่างเวลาขนส่งที่เชื่อถือได้-ต้องอาศัยความใส่ใจในรายละเอียดเครื่องมือต่างๆ ความละเอียดของเวลาจะต้องเกินความแตกต่าง-เวลาขนส่งที่คาดไว้อย่างมาก สำหรับการไหลของก๊าซที่มีความเร็วต่ำ- Δt อาจเป็นเพียงสองสามนาโนวินาที-ซึ่งต้องใช้พิโควินาที-ในการแปลงเวลาเป็นดิจิทัล ชิป TDC (เวลา-ถึง-ตัวแปลงสัญญาณดิจิทัล) จากผู้ผลิตอย่าง ams บรรลุความละเอียด 90ps ทำให้สามารถวัดการไหล-ทำให้เกิดความแตกต่างระหว่างการขนส่งได้แม้ภายใต้สภาวะที่ท้าทาย

การชดเชยอุณหภูมิไม่สามารถ-ต่อรองได้ ทั้งความเร็วของเสียงในตัวกลางและคุณลักษณะของทรานสดิวเซอร์จะลอยไปตามอุณหภูมิ เครื่องมือที่ไม่มีการชดเชยจะแสดงความสัมพันธ์ระหว่างการแกว่งของอุณหภูมิและการอ่านค่าการไหลที่ชัดเจน ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงปริมาณงานจริง

หลักการของเครื่องวัดอัตราการไหลอัลตราโซนิกการตรวจจับข้าม-ในท้ายที่สุดจะขึ้นอยู่กับการกำหนดเกณฑ์ที่เสถียร คุณลักษณะการมาถึงของรูปคลื่นที่สอดคล้องกัน และการควบคุมเกนที่ออกแบบอย่างเหมาะสม องค์ประกอบเหล่านี้โต้ตอบในลักษณะที่ไม่เป็นไปตามสัญชาตญาณเสมอไป แอมพลิฟายเออร์ที่ "ดีกว่า" ไม่ได้หมายถึงการวัดการไหลที่ดีขึ้นเสมอไป หากการตอบสนองของเฟสเปลี่ยนไปตามการตั้งค่าเกน

ของเหลวเฟสเดียวที่สะอาด-ที่มีองค์ประกอบคงที่แสดงถึงสภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ-มิเตอร์วัดอัตราการไหลอัลตราโซนิกเวลาขนส่ง การใช้งานการถ่ายโอนการดูแลในท่อส่งก๊าซธรรมชาติต้องอาศัยมิเตอร์อัลตราโซนิกแบบหลายเส้นทางอย่างมาก เนื่องจาก-เมื่อติดตั้งและสอบเทียบอย่างเหมาะสม- มิเตอร์ดังกล่าวจะให้ความแม่นยำที่ทัดเทียมหรือเหนือกว่ามิเตอร์กังหันโดยไม่มีภาระในการบำรุงรักษาชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

ในทางกลับกัน กระแสก๊าซสกปรกที่มีของเหลวกักตัวอยู่ องค์ประกอบที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว หรือการโหลดอนุภาคที่มีนัยสำคัญจะผลักดันขอบเขตของเทคโนโลยี การกระเจิงของสัญญาณจากวัสดุแขวนลอยสามารถครอบงำ-เส้นทางสะท้อนโดยตรงด้วยการสะท้อนแบบกระจาย มิเตอร์อัลตราโซนิกที่ใช้ดอปเปลอร์-จัดการกับสภาวะดังกล่าวได้ดีกว่า แม้ว่าจะมีความแม่นยำลดลงก็ตาม

สิ่งสำคัญสำหรับผู้ปฏิบัติงาน: ทำความเข้าใจสภาวะกระบวนการของคุณก่อนที่จะระบุการวัดการไหลแบบอัลตราโซนิก ที่หลักการของเครื่องวัดอัตราการไหลล้ำเสียงการทำงานฟังดูตรงไปตรงมา-วัดเวลาขนส่ง คำนวณความเร็ว-แต่การให้ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือภายใต้สภาพการทำงานจริงนั้น จำเป็นต้องมีการจับคู่สถาปัตยกรรมเครื่องมือให้ตรงกับความต้องการของแอปพลิเคชัน

เครื่องวัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกร่วมสมัยใช้ประโยชน์จากเทคนิคการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลที่ห้ามใช้คอมพิวเตอร์เมื่อทศวรรษที่แล้วมากขึ้น ความสัมพันธ์-ตามเวลา-ของ-การกำหนดเที่ยวบิน อัลกอริธึมการกรองแบบปรับตัว และ-การปรับรูปคลื่นตามโมเดลให้เหมาะสม ทั้งหมดนี้ให้การปรับปรุงที่เป็นไปได้มากกว่าวิธีการข้ามขีดจำกัด/ศูนย์-

การรวมอัลกอริธึมเหล่านี้เข้ากับ-โซลูชันชิปตัวเดียว-ที่รวมไดรเวอร์ทรานสดิวเซอร์, ฟรอนต์เอนด์แอนะล็อก, ADC และการประมวลผลดิจิทัลในอุปกรณ์ที่มีเสาหิน- ได้ลดความซับซ้อนในการใช้งานลงอย่างมากในขณะที่ปรับปรุงประสิทธิภาพ ขณะนี้ผู้ผลิตอย่าง Texas Instruments และ Maxim นำเสนอ-ไอซีตรวจจับอัลตราโซนิกเฉพาะแอปพลิเคชันที่มี-การแปลงในเวลา-ถึง-ทางดิจิทัลและการคำนวณสหสัมพันธ์

สำหรับผู้ใช้ปลายทาง สิ่งนี้แปลเป็นมิเตอร์ที่รักษาการสอบเทียบได้ดีขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ปฏิเสธการรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และให้ข้อมูลการวินิจฉัยที่เปิดเผยเมื่อสภาวะของกระบวนการผลักดันขีดจำกัดความแม่นยำในการวัด พื้นฐานหลักการวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิกไม่ได้เปลี่ยนแปลง แต่วิธีการนำหลักการดังกล่าวไปปฏิบัติยังคงก้าวหน้าต่อไป

ความแม่นยำในการวัดในการใช้งานการไหลแบบอัลตราโซนิกในท้ายที่สุดจะสะท้อนถึงการดูแลในสถาปัตยกรรมการประมวลผลสัญญาณที่ตรงกับสภาพการทำงานทางกายภาพ การตรวจจับเวลาขนส่ง-ยังคงมีความสำคัญ แต่ระบบอิเล็กทรอนิกส์และอัลกอริธึมที่รองรับจะกำหนดว่าความแม่นยำทางทฤษฎีจะเปลี่ยนไปสู่ความน่าเชื่อถือในทางปฏิบัติหรือไม่